Temperaturstyrning av aluminiumextruderingsprocess
Richard Nilsson
LiTH-ISY-EX-3382-2003 Linköping 2003
Temperaturstyrning av aluminiumextruderingsprocess Examensarbete utfört i Reglerteknik och kommunikationssystem
vid Linköpings tekniska högskola av
Richard Nilsson LiTH-ISY-EX-3382-2003 Examinator: Mikael Norrlöf Handledare: Markus Gerdin
Avdelning, Institution Division, Department Institutionen för Systemteknik 581 83 LINKÖPING Datum Date 2003-05-26 Språk
Language Rapporttyp Report category ISBN X Svenska/Swedish
Engelska/English Licentiatavhandling X Examensarbete ISRN LITH-ISY-EX-3382-2003 C-uppsats D-uppsats Serietitel och serienummer Title of series, numbering ISSN
Övrig rapport
____
URL för elektronisk version
http://www.ep.liu.se/exjobb/isy/2003/3382/
Titel
Title Temperaturstyrning av aluminiumextruderingsprocess Temperature control of aluminium extrusion process
Författare
Author Richard Nilsson
Sammanfattning
Abstract
In this final thesis a rough description of aluminium extrusion is made, the importance of temperature of both the raw material and the extruded profile for a good profile quality. The difficulty in controlling these temperatures are discussed and attempts to increase the control are described. The attempts are basically made by controlling the furnace that is heating the raw material. This is done in a manner that the raw material reaches its final temperature shortly before it is extruded. An IR-camera at the press can be used for profile temperature measurements. The profile temperature is in turn used to decide the raw material temperature. Finally some proposals are given that can lead to a more controlled temperature at raw material and profile.
Nyckelord
Keyword
Förord
Jag vill rikta ett stort tack till alla de som gjort det möjligt för mig att genomföra detta examensarbete vid ProfilGruppen. Förutom engagerad skiftpersonal på press MAX vill jag tacka följande personer på ProfilGruppen: Rickard Alm, Troels Christiansen,
Jörgen Ekelund, Jonny Gustafsson, Tage Johansson, Mikael Sakshaug och Peter Ward. Vid Linköpings universitet vill jag tacka min handledare Markus Gerdin och mina examinatorer Mikael Norrlöf och Fredrik Tjärnström.
Sammanfattning
I detta examensarbete beskrivs i stora drag hur profilpressning av aluminium går till, att temperaturen hos såväl råmaterial som färdig profil är viktig för produktens
kvalitet. Svårigheten med att få kontroll över olika temperaturer diskuteras och försök för att få ökad kontroll beskrivs i denna rapport. Försöken går ut på att gasolugnen som värmer upp råvaran styrs på ett sätt som gör att råvaran uppnår rätt temperatur kort tid innan den ska pressas. En IR-kamera vid pressen kan användas för att mäta
profiltemperaturen som i sin tur ligger till grund för hur råmaterialet värms upp. Slutligen nämns några förslag som kan leda till att en mer kontrollerad
Abstract
In this final thesis a rough description of aluminium extrusion is made, the importance of temperature of both the raw material and the extruded profile for a good profile quality. The difficulty in controlling these temperatures are discussed and attempts to increase the control are described. The attempts are basically made by controlling the furnace that is heating the raw material. This is done in a manner that the raw material reaches its final temperature shortly before it is extruded. An IR-camera at the press can be used for profile temperature measurements. The profile temperature is in turn used to decide the raw material temperature. Finally some proposals are given that can lead to a more controlled temperature at raw material and profile.
Innehåll
1 INLEDNING... 9 1.1 BAKGRUND... 9 1.2 PROBLEMBESKRIVNING... 9 1.2.1 IR-kamera ... 9 1.2.2 Götugn... 10 1.3 MÅLSÄTTNING... 10 1.4 RAPPORTENS UPPLÄGG... 10 2 BESKRIVNING AV TILLVERKNINGSPROCESSEN ... 11 2.1 FRÅN GÖT TILL PROFIL... 11 2.2 TEMPERATURSTYRNING... 12 3 IR-KAMERA ... 14 3.1 KALIBRERING AV KAMERAN... 143.2 PROFILYTANS INVERKAN VID MÄTNING... 15
3.2.1 Användning av kvävgas och kylbox... 17
3.3 ILLUSTRERING AV TEMPERATURKURVAN... 18
4 GÖTUGN ... 19
4.1 BESKRIVNING AV SYSTEM... 19
4.1.1 Götets väg från ugn till press ... 19
4.1.2 Skarvade göt med götdelning ... 19
4.2 GÖTETS VÄRMELEDNING... 21
4.3 BEFINTLIGT REGLERSYSTEM... 25
4.3.1 Brännarnas styrning ... 27
5 MODIFIERINGAR AV REGLERSYSTEM ... 28
5.1 SYNKRONISERING MELLAN PRESS OCH UGN... 28
5.2 IMPLEMENTERING AV ALGORITM... 29
5.3 MÄTRESULTAT OCH ANALYS... 34
5.3.1 Zon 1... 34
5.3.2 Zon 2... 35
5.3.3 Zon 2b... 36
5.3.4 Profiltemperaturen ... 37
5.4 FÖRSLAG TILL FÖRBÄTTRINGAR... 39
6 SLUTSATSER OCH FORTSATT ARBETE... 39
6.1 IR-KAMERA... 39
6.2 GÖTUGN... 39
6.2.1 Uttag av göt ... 40
6.2.2 Termospetsarnas placering i ugnen ... 40
6.2.3 Dubbelskjuvning... 40
Figurförteckning
Principskiss över ugn s. 11.Mekaniska delar vid pressning s. 11.
Flödesschema för temperaturstyrning s. 13. Takbelysningens inverkan vid IR-mätning s. 16. Reflektion av värmestrålning vid IR-mätning s. 16. Värmestrålningens variation med profilytan s. 17. Illustrering av temperaturkurvan s. 18.
Plier s. 20.
Stem och container s. 21.
Indelning av temperaturzoner hos götet vid simulering s. 21. Götets simulerade temperatur s. 24.
Exempel på ladderprogrammering s. 25. Skiss över götugn s. 25.
Diagram över göttemperaturen s. 27.
Flödesschema för algoritmen i ugnens zon 1 s. 30.
Flödesschema för algoritmen i ugnens zon 2, zon 2b och zon 3 s. 31. Plot för bestämning av tidskonstant s. 32.
Avvikelse för ugnstemperatur i zon 1 s. 33. Avvikelse för ugnstemperatur i zon 2 s. 34. Avvikelse för ugnstemperatur i zon 2b s. 35. Profiltemperatur med algoritm s. 36.
Profiltemperatur utan algoritm s. 37.
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Vid ProfilGruppens press MAX tillverkas aluminiumprofiler. Råvaran aluminium som kallas göt, pressas till olika former genom ett verktyg. För att profilen ska vara av god kvalitet är dess temperatur då den pressas viktig. Profiltemperaturen vill man ha så jämn som möjligt och det är denna strävan efter god kontroll på profiltemperaturen som är bakgrunden till detta examensarbete.
1.2 Problembeskrivning
Då profilen pressas är det viktigt att dess temperatur håller sig inom ett visst intervall. Vid låg temperatur krävs hög presskraft för att komma igenom verktyget och vissa legeringsämnen i aluminiumet blir inte helt upplösta, med en inhomogen legering hos profilen som resultat. Dessutom kan aluminiumet vid låg temperatur inte pressas ut i alla hörn hos verktyget och profilen håller inte måtten. Vid hög temperatur får man lätt problem med ytans kvalitet.
Profilens utgångstemperatur beror av en mängd faktorer som:
• Götets temperaturfördelning.
• Presshastigheten, vid en hög hastighet bildas mer friktionsvärme i deformeringsprocessen av götet.
• Verktygets utseende, en mindre tvärsnittsarea hos profilen går trögare att pressa och friktionsvärmen ökar.
• Temperaturen hos verktyg och container, för varje göt som pressas igenom verktyget ökar dess och containerns temperatur. Containern är den cylindriskt formade detaljen hos pressen som håller götet på plats under pressning. Först efter ca 30 göt kan man anta att jämvikt råder men eftersom många order inte är längre än 10-talet göt nås inte alltid jämvikt.
1.2.1 IR-kamera
För att kunna mäta profiltemperaturen används en IR-kamera som mäter
värmestrålningen som profilen utsänder. Till kameran är ett reglersystem kopplat. Reglersystemet använder information från kameran för att bestämma hur
1.2.2 Götugn
Götets temperaturfördelning önskar man få så att främre delen av götet är varmare än bakre delen av götet. Detta för att kompensera för ökad friktionsvärme allteftersom götet pressas. Om götets temperatur är homogent fördelad ökar alltså
profiltemperaturen under den tid som götet pressas. En god temperaturfördelning hos götet ställer krav på precision vid uppvärmningen av götet som sker i en gasolugn. Ett problem hos götugnen är att dess noggrannhet vid götuppvärmning inte är vad man önskar.
1.3 Målsättning
Målsättningen med examensarbetet är att undersöka möjligheterna till isotermisk pressning, d.v.s. pressning med konstant profiltemperatur vid ProfilGruppens press MAX. Detta har begränsats till följande punkter:
• Undersökning av IR-kameran som mäter profiltemperaturen.
• Undersökning av gasolugnen som värmer aluminiumgöten.
• Ge förslag till förbättringar.
• Genomföra förbättringar av processen och utvärdera dessa.
1.4 Rapportens upplägg
I kapitel 2 beskrivs tillverkningsprocessen översiktligt. Här nämns också
temperaturstyrningen som är kopplingen mellan profiltemperatur och göttemperatur. I kapitel 3 beskrivs IR-kameran som fungerar som sensor för profiltemperaturen. Hur kameran ska användas och vilka dess begränsningar är diskuteras. Kapitel 4 beskriver götugnen och hur dess reglersystem fungerar. Vidare beskrivs hur göt transporteras till pressen och en simulering av ett göts värmeledning genomförs. Kapitel 5 beskriver en alternativ metod som utvecklats inom detta examensarbete för att styra ugnens
brännare. Metoden testas och jämförs med den ursprungliga styrningen och
förbättringsförslag till metoden ges. I kapitel 6 har slutsatserna samlats tillsammans med fortsatt arbete som kan ge förbättringar i tillverkningsprocessen.
2 Beskrivning av tillverkningsprocessen
2.1 Från göt till profil
ProfilGruppen köper aluminium i form av 6.5 m långa göt, dessa matas ett och ett in i en götugn. Ugnen värmer först upp hela götet till ca 350 °C. Den del av götet som ska plockas ut ur ugnen har en längd i storleksordningen 1 m, detta för att pressen inte klarar av götbitar längre än 1.4 m. Denna främre del värmer taperugnen upp med en temperaturdifferens på 20-70 °C med högsta temperatur (~450-500 °C) längst fram på götet, närmast ugnens uttagslucka. Detta för att man ska få så jämn profiltemperatur ur pressen som möjligt. När önskad temperaturdifferens uppnåtts, öppnas uttagsluckan och hela götet matas fram till en process där götet skjuvas av till önskad längd. Med jämna mellanrum sitter gasolbrännare längs med ugnen, nära brännarna sitter
termoelement som förs in och mäter temperaturen på götet (se figur 1).
När götet skjuvats väntar det i rumstemperatur på att pressen skall pressa klart föregående göt. Götet laddas sedan i en container och en stem börjar pressa götet igenom verktyget som nu är fyllt av aluminium från föregående göt (se figur 2). Profilen som lämnar pressen blir alltså stillastående under tiden för götbytet. Profil från två göt efter varandra sitter samman och kapas efter ca 50 m på ett rullbord. Den skarv som blir på profilen i och med att man måste byta göt kapas bort och skrotas senare i produktionen.
Figur 1: En principskiss över ugnen med dess brännare och givare.
2.2 Temperaturstyrning
I dagens produktion på ProfilGruppen försöker man hålla profiltemperaturen jämn genom att anpassa presshastigheten och temperaturfördelningen hos göten. Riktlinjer för hur man gör dessa inställningar finns i en databas som registrerar inställningar under tidigare pressningar. Efter varje order får pressföraren möjlighet att spara rådande inställningar som bästa körsätt. Till varje order finns alltså ett bästa körsätt associerat. Inställningarna hos bästa körsätt används sedan automatiskt varje gång den aktuella profilen ska pressas. Vid behov, t ex då man upptäcker kvalitetsbrister hos profilen, kan pressföraren manuellt ändra presshastighet eller temperaturfördelningen hos göten.
Vid utloppet för profilen finns en IR-kamera för temperaturmätning monterad sedan några år tillbaka. Kameran har monterats i samband med att ett reglersystem för temperaturstyrning installerats, se figur 3. Systemet är konstruerat av ett italienskt företag och man har inte full tillgång till hur det fungerar i detalj då det krävs kod för att komma åt dess implementering. I huvudsak fungerar reglersystemet så att det utifrån temperaturen från IR-kameran ställer ut en temperaturfördelning på nästa göt som ska värmas av taperugnen. Denna information består av två värden, dels önskad temperatur i framkanten på götet, dels temperaturskillnaden mellan götets ändar. Informationen från temperaturstyrningen används som insignal av ett annat reglersystem som styr taperdelen av ugnen. Detta reglersystem för taperugnen är implementerat i ett ladderspråk och fullt öppet att studera och göra ändringar i.
PRESS IR-KAMERA REGLERSYSTEM FÖR TEMPERATURSTYRNING Profiltemperatur Presshastighet OPERATÖR Önskad medeltemp på profilen REGLERSYSTEM FÖR UGN Tempbeställn. På göt GÖTUGN Brännare på/av Göttemp från givare Göt Göttemp från givare
3 IR-kamera
Som beskrivits tidigare finns vid pressens mynning en IR-kamera monterad för
mätning av profiltemperaturen. Kameran är ansluten till en processor som den skickar de på profilen uppmätta signalerna till. Processorn behandlar mottagna data och visar emissivitetsfaktor och temperatur på en display, nedan kallad processordisplay.
Emissivitetsfaktorn är ett mått på hur mycket värmestrålning som kameran registrerar. Där kameran är monterad finns en motor som gör att kameran kan svepa över profilen för att få bästa möjliga mätposition. Då kameran tappar mätning finns en sökfunktion som automatiskt styr motorn tills starkast emissivitet registreras. Operatören kan med hjälp av en styrspak som är kopplad till motorn starta automatisk sökning eller göra finjusteringar av mätposition.
Förutsättningar för att kameran ska visa en stabil temperatur är:
• Kameran måste vara riktigt kalibrerad.
• Kamerans hela mätområde måste vara riktat mot profilytan.
• Störande ljuskällor som reflekteras i profilen och uppfattas av kameran som emissivitet måste vara begränsade.
• Kamerans lins måste vara ren och fri från sot- och dammpartiklar.
• Kameran måste vara optiskt fokuserad.
• Spridningen av vatten från kylboxen till kamerans mätområde måste vara begränsad. Kylboxen är placerad ett par meter från pressens mynning och används för att kyla profilen för att få goda hållfasthetsegenskaper.
3.1 Kalibrering av kameran
De kalibreringspunkter som tidigare lagts in i processorn är raderade och ersatta av två kalibreringar, en kalibrering på två olika profiler. Kalibrering går till på så sätt att en temperatur som oftast uppmäts på profilen under den aktuella pressningen ställs in på processordisplayen. När handinstrumentet visar denna temperatur aktiveras
kalibreringsfunktionen. Under den tid (~några sekunder) som denna procedur pågår är det viktigt att temperaturen inte ändras på profilen. Efter kalibrering ska god
överensstämmelse råda mellan temperaturen visad på processordisplayen och temperatur uppmätt med handinstrument. Om kalibreringen medför en sämre
Utöver att kalibrera kameran kan man enligt användarmanualen till kameran genomföra följande justeringar/åtgärder vid problem med temperaturvisning:
• Rengörning av kamerans mätlins.
• Fokusering av mätlinsen så att kameran anpassas till det avstånd som råder mellan kamera och profil.
Slutsats:
1. Om kameran får problem med att mäta på t ex en bred, slät profil kan man försöka rengöra och fokusera kameran.
2. Om man märker att temperaturen avviker 30 °C eller mer kan man försöka att lägga till en kalibreringspunkt. Hjälper inte detta bör man ta bort
kalibreringspunkten igen och om avvikelsen ofta är större än 30 °C och åt samma håll bör man ta bort samtliga kalibreringspunkter och kalibrera om kameran helt.
3. Kalibrering s ka endast utföras på profiler med bred och slät yta och då under pressning, detta för att profiltemperaturen inte ska sjunka under kalibreringen, vilket den gör vid götbyte.
3.2 Profilytans inverkan vid mätning
Efter att dessa båda kalibreringar genomförts har kameran visat en stabil temperatur på breda, släta profiler. Kameran mäter här en temperatur som avviker ett fåtal grader från den temperatur man får med ett handinstrument. Avvikelsen är ungefär densamma för varje profil under en körning förutsatt att emissivitetsfaktorn inte ändras. Detta är en förutsättning för kamerans trovärdighet. Man kan alltså använda kameran för temperaturstyrning så länge man är medveten om temperaturavvikelsen från handinstrumentet och kontrollmäter då och då.
Enligt kamerans användarmanual är det optimala avståndet mellan kamera och profil 1 m. Vid detta avstånd har kameran ett mätområde med en diameter lika med 20 mm och vid ett avstånd på 2 m blir diametern 40 mm. Den allmänna relationen mellan
mätområde och mätavstånd: Diameter = Avstånd / 50. Kameran är uppsatt så att mätlinsen är omkring 1.5 m från profilen vilket ger en diameter på 30 mm. Eftersom hela mätområdet enligt användarmanualen måste vara riktat inom profilyta kan man anta att kameran inte klarar av att mäta på profil som är smalare än 30 mm. Om mätområdet hamnar utanför profilyta kan kameran mäta emission från grafitblocken som håller profilen på rullbordet. Grafitblocken kan ses som en svartkropp och emitterar därför mer strålning än profilen, trots att profilen har högre temperatur. Aluminium i sig emitterar lite värmestrålning vilket försvårar kamerans mätning.
automatiskt hitta ett nytt mätområde vars emission är stabil. Detta kan naturligtvis inte accepteras när man har temperaturstyrningen aktiverad. Därför är det ett krav att profilen är åtminstone 50 mm bred för att man över huvud taget ska kunna förlita sig på kameran som sensor.
För att emissionen inom mätområdet hos kameran inte ska variera för kraftigt är det viktigt att profilen är så slät som möjligt. Detta dels för att temperaturen över
mätområdet ska vara jämn och dels för att minimera reflektioner i profilen från takbelysningen. Figur 4 visar en profil med benägenhet att reflektera strålning från exempelvis takbelysning och figur 5 visar profiler där reflektioner av profilens egen värmestrålning ökar emissionen som når kameran. Profilen till vänster i figur 5 visar hur mycket strålning som egentligen ska nå kameran vid given temperatur. Figur 6 visar hur värmestrålningen varierar med profilytan. Figur 4, figur 5 och figur 6 är hämtade ur [1].
Vid kalibrering användes en kontakttermometer som referensinstrument. Termometern kan användas för mätning av temperaturer upp till 1000 °C. Svårigheten med att mäta profiltemperaturen under pressning med detta instrument är att man måste följa
profilen i dess rörelse med en bra kontakt mot ytan. Termometern behöver en tids kontakt mot profilen för att mätspetsen skall uppnå samma temperatur som denna. Att få en bra kontakt mot profilen är svårt, särskilt vid höga presshastigheter och då
profilens yta är ojämn.
Figur 4: Takbelysning kan reflekteras in i kameralinsen och störa temperaturmätningen.
3.2.1 Användning av kvävgas och kylbox
Vissa profiler utsätter man för kvävgas precis när de lämnar verktyget. Detta gör man för att få en fin yta och för att kyla verktyg och profil. Detta påverkar
emissivitetsfaktorn som kameran mäter och kan resultera i att visad temperatur avviker mer från verklig profiltemperatur. Flödet på kvävgasen är konstant vilket betyder att emissivitetsfaktorn hos kameran kan ändras om presshastigheten ändras. Detta eftersom aluminiumet som pressas kyls mer eller mindre av kvävgasen beroende på presshastighet.
För att få goda hållfasthetsegenskaper hos profilen används ibland en kylbox som är placerad ett par meter från pressens mynning. Kylboxen kan kyla me d både luft och vatten. Om kylboxen används med högt vattenflöde sker en spridning av droppar över kamerans mätområde. Kameran får i dessa fall problem med att visa en stabil
temperatur och sporadiska fluktueringar förekommer. I dessa fall får man med försiktighet förlita sig till kamerans visade värde.
Slutsats:
1. Kameran kan ibland men inte med säkerhet användas på smala profiler eller profiler med ojämn yta.
2. Kameran kan ibland men inte med säkerhet användas då kylbox eller kvävgas används.
3. Av slutsats 1 & 2 fås att temperaturstyrningen som använder information från kameran inte går att använda på hela uppsättningen av profiler.
Figur 6: Värmestrålningen varierar med ett beroende av utseendet hos profilen.
3.3 Illustrering av temperaturkurvan
Det är svårt att få en uppfattning om hur mycket profiltemperaturen varierar under ett göt genom att se på processordisplayen som endast visar momentana värden av
temperaturen. För att kunna studera temperaturkurvan på plats vid pressen gjordes ett makro i ett dokument. Makrot hämtar via nätverket profiltemperaturen och sparar varje sekund ett nytt värde i en kolumn av dokumentet. Då kolumnen fyllts ner till rad 1000 börjar makrot om på rad 1 igen.
För att illustrera temperaturkurvan infogades ett diagram (se exempel på detta i figur
7) som använder den aktuella kolumnen som källdata. Resultatet av detta blir att
temperaturkurvan sveper fram över diagrammet från vänster till höger. Varje 1000:e sekund när svepningen nått högerkanten på diagrammet sker ett hopp till dess
vänsterkant. IR-kamerans mätvärden under de 1000 senaste sekunderna visas alltså i diagrammet.
För att aktivera diagrammet vid pressen har en medarbetare lagt in en tryckknapp i en databas som nås från en av pressens datorer. Tryckknappen är kopplad till att starta makrot som då visar det svepande diagrammet på bildskärmen.
4 Götugn
Temperaturen hos göten spelar en avgörande roll för temperaturen på utgående profil. Därför är det viktigt att götugnen kan värma göt till en temperatur med så liten
avvikelse från börtemperaturen som möjligt. Ett problem som nu råder med ugnen är att temperaturen hos göten varierar från göt till göt, i synnerhet för profiler som tar lång tid att pressa. Detta försvårar isotermisk pressning avsevärt.
4.1 Beskrivning av system
4.1.1 Götets väg från ugn till press
När pressen kallar på göt öppnas ugnsluckan och götet matas fram till ett stopp som ser till att götlängden blir den önskade. När framkanten på götet nått stoppet startas vad som kallas ”hot shear” som skjuvar av götet. ”Hot shear” griper om götet på två ställen, ena greppet är fixerat och andra greppet rör sig horisontellt i sidled. Detta resulterar i att götet snittas av mitt mellan greppen. ”Hot shear” behöver minst 170 mm göt på båda sidor om det tänkta snittet för att kunna skjuva. Anledningen till detta är att man inte ska få korta götbitar som riskerar att hamna på högkant och orsaka haveri i processen. Efter skjuvningen sänks en ”plier” ner över götet med 10 cm breda klor som griper tag om götet. ”Pliern” lyfter upp götet och förflyttar det någon meter i sidled innan den lämnar av det i en vagga monterad på pressen, se figur 8. För att ”pliern” ska kunna lämna av götet i vaggan måste stemen befinna sig i sitt främre ändläge. När götet ligger i vaggan och presscykeln är avslutad drivs stemen baklänges till dess bakre ändläge och vaggan följer med. I det bakre ändläget roteras hela
kroppen 180° så att stem och göt byter plats och götet knuffas in i containern som ska hålla det på plats under pressningen. Kroppen roteras sedan tillbaka och stemen är i läge att pressa götet till profil (se figur 9).
4.1.2 Skarvade göt med götdelning
När återstående götlängd i ugnen inte räcker för att få den götlängd som önskas finns olika alternativa skjuvcykler för operatören vid pressen att välja mellan. Ett exempel på en alternativ skjuvcykel är när två götlängder skarvas för att tillsammans utgöra ett göt med önskad götlängd. Ett specialfall av skarvade göt fås om återstående götlängd i ugnen är för kort för att räcka till ett helt göt men samtidigt för långt för att kunna skarvas med götstånge n närmast efter i ugnen.
Skjuvcykeln fungerar så att återstående götlängd i ugnen delas i två lika delar, varav den bakre delen tillfälligt sänks ner i en vagga. Den nya götstången i ugnen matas fram och trycker den främre halvan av det delade götet till ett stopp. ”Hot shear” skjuvar av den nya götstången och dess främre del tillsammans med främre halvan av det tidigare delade götet transporteras till pressen. Härefter matas götstången tillbaka in i ugnen och götbiten i vaggan lyfts upp och placeras främst i ugnen. Denna skjuvcykel tar längre tid än övriga och innebär att den måste påbörjas tidigare för att inte pressen ska behöva vänta på alla skarvade göt. Detta diskuteras i avsnittet ”Synkronisering mellan press och ugn”.
Figur 8: Pliern (överst i figuren) har precis lämnat ett göt vid pressens vagga.
4.2 Götets värmeledning
Det är ganska vanligt att ett göt som värmts färdigt får vänta på att pressas. Då götet avsiktligt värmts upp med en högre temperatur i ena änden jämfört med den andra änden sker en förändring av göttemperaturen under väntetiden. Syftet med detta avsnitt är att studera hur effekten av värmeledningen i götet påverkar förändringen i
göttemperatur.
Varje kropp med en inhomogen temperaturfördelning strävar efter utjämning av
temperaturen så att denna blir densamma i hela kroppen. Temperaturskillnaden mellan ett göts ändar kommer efter viss tid att jämnas ut p.g.a. värmeledningen i götet. För att få en uppfattning om storleksordningen på tiden för temperaturutjämning, har en simulering i Matlab genomförts. Simuleringen är baserad på exempel 4.2 i [2] med andra numeriska värden och ledningsmaterialet uppdelat i fler sektioner.
Värmeledningsekvationen beskriver götets värmeledning i en dimension: t t z x z t z x a ∂ ∂ = ∂ ∂ ⋅ 2 (2, ) ( , )
Där x(z,t) är temperaturen i götets vänstra del i figur 13 vid tidpunkten t på avståndet z från ändpunkten. Konstanten a är är värmeledningskoefficienten för aluminium. För att få en approximativ modell som lättare går att använda vid simulering antas götet bestå av fyra zoner (se figur 11) med olika temperaturer (Xi(t), i=1, 2, 3, 4). Antalet zoner har i härledningen av ekvationerna satts till fyra, vid simuleringen däremot har antalet zoner satts till 21 för bättre noggrannhet. Temperaturen i varje zon antas vara homogent fördelad och värmepåverkan från omgivningen bortses ifrån.
Värmebalansekvationer ger: ) 4 zon till 3 zon från (effekt ) 4 zon i värmemängd ( ) 4 zon till 3 zon från (effekt ) 3 zon till 2 zon från (effekt ) 3 zon i värmemängd ( ) 3 zon till 2 zon från (effekt ) 2 zon till 1 zon från (effekt ) 2 zon i värmemängd ( ) 2 zon till 1 zon från (effekt ) 1 zon i värmemängd ( = − = − = − = dt d dt d dt d dt d
Detta ger ekvationerna:
Figur 10: Götet har delats in i fyra olika zoner, vardera med konstant temperatur.
Där C är värmekapaciteten för aluminium och kan skrivas som: m
c C = p ⋅
Där cp är specifik värmekapacitet för aluminium och m(=A·L·ρ) är massan för en zon.
K är värmeövergångstalet mellan zonerna och fås från ekvation (8-16) i [3]:
T L A k dt dQ ∆ ⋅ ⋅ = vilket ger: Q är värmemängden för en zon. L A k K = ⋅
Där k är konduktiviteten för aluminium, A är götets tvärsnittsarea och L är sträckan som värmen flödar mellan två zoner.
Värmebalansekvationerna kan nu skrivas:
)) ( ) ( ( ) (t) ( )) ( ) ( 2 ) ( ( ) (t) ( )) ( ) ( 2 ) ( ( ) (t) ( ) (t) X -(t) (X ) (t) ( 4 3 2 4 4 3 2 2 3 3 2 1 2 2 2 1 2 1 t X t X c L k X dt d t X t X t X c L k X dt d t X t X t X c L k X dt d c L k X dt d p p p p − ⋅ ⋅ ⋅ = + ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = + ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ − = ρ ρ ρ ρ
Där k=237 [J/(m·s·K)], ρ=2702 [kg/m2] och cp=903 [J/(kg·K)] har erhållits ur tabell A-14 i [3] och L=0.35 [m]. Initialvärden hos tillstånden Xi har satts till vanligt
förekommande värden på göttemperaturen:
C X C X C X C X ° = ° = ° = ° = 440 ) 0 ( 460 ) 0 ( 480 ) 0 ( 500 ) 0 ( 4 3 2 1
Systemet ovan har utvidgats på analogt sätt till 21 tillstånd. Skillnaden mellan götets ändtemperaturer är dock fortfarande 60 °C (X1(0)-X21(0)=60) Figur 11 visar hur temperaturen i götets vänstra zon svalnar som ett resultat av värmeledningen i götet. Avsvalningen är som störst under de första 3 minuterna då temperaturen sjunker nästan 5 °C. Detta är ekvivalent med att temperaturen i götets högra zon (X21(0)) stiger med ~5 °C under de 3 första minuterna. Alltså minskar temperaturskillnaden mellan götets ändzoner med nästan 10 °C om det får vänta i 3 minuter på att pressas efter det att det värmts upp. Eftersom de flesta göten pressas på kortare tid än 4 minuter och i jämförelse med felmarginalen vid uppvärmningen av göten är effekten av
värmeledning i götet inte så stor. Värmeledningen är av denna anledning inte heller försumbar utan strävan vid uppvärmning av göt bör vara att pressa göten så snart de värmts till rätt temperatur.
Figur 11: Kurvan visar götets simulerade temperatur i framkant. Avsvalningen är till följd av värmeledningen i götet.
4.3 Befintligt reglersystem
För att kunna omvandla mellan logiska och fysiska operationer används en PLC-5-processor. Processorn programmeras att utföra fysiska operationer med de ställdon som är kopplade till den. Exempel på vad som styrs av processorn är laddning av nya götstänger, mätning med ugnens termoelement och aktivering av ugnens brännare. Vilka operationer som ska utföras och när de ska utföras avgörs av ett program i PLC-processorns minne. Detta minne innehåller också alla parametrar som ska användas. De finns i olika format, t ex heltal, flyttal eller binära tal.
All programmering är implementerad i ett ladder-språk (även kallat reläschema) där koden skrivs genom att på arbetsblad placera ut operationsboxar, utgångar och grindar. Mellan dessa dras ledningar för att sammankoppla dem. Grindar används för att sluta och bryta ledningar till boxar och utgångar. Till varje utgång och grind är en bit associerad. För att ledningen med grinden ska vara sluten måste biten vara lika med 1, annars fungerar ledningen som ett brott. För att instruktionen i en operationsbox ska utföras eller utgången påverkas måste ledningen från vänster vara sluten. Exekvering av ett arbetsblad påbörjas uppifrån och stegar rad för rad, vänster till höger igenom hela bladet. Efter sista raden exekveras första raden i nästa arbetsblad och efter sista arbetsbladet börjar exekveringen om med första arbetsbladet. Ett exempel på
Som reglersystemet ser ut nu styrs varje zon i ugnen oberoende av varandra, se figur
13 som visar var de olika zonerna i ugnen är placerade. Detta gör att när man värmer
upp götet i taperzonen blir zon 1 alltid klar efter det att zon 2 och zon 3 uppnått sina respektive börtemperaturer. Följden av detta blir att zon 2 och zon 3 i allmänhet värms upp ytterligare av ugnens varma miljö i väntan på att zon 1 ska uppnå börtemperatur. För att ugnens miljö inte ska inverka negativt på detta sätt vore det önskvärt att alla tre zonerna i tapern uppnår sina respektive börvärden samtidigt och kort tid innan götet kallas vidare till pressen.
4.3.1 Brännarnas styrning
Så snart ett göt skjuvats av till önskad längd matas kvarvarande del av götstången tillbaka in i ugnen för att värmas och bli nästa göt som pressas. När götet är tillbaka i ugnen mäter termoelement temperaturen i de olika zonerna. Där man finner avvikelse från börtemperaturen drivs respektive brännare i en tid som är proportionell mot antalet °C som skiljer mellan mätvärde och börvärde på temperaturen. En klocka ser till att brännarna stoppas vid rätt tidpunkt och då detta skett går termoelementen åter in och mäter temperaturen. Stämmer fortfarande inte ärtemperaturen överens med
börtemperaturen så sätts brännarna igång enligt samma procedur en gång till. Detta fortgår tills börtemperaturen uppnås eller tills pressen kallar på göt. Då
börtemperaturen uppnåtts går termoelementen med jämna mellanrum in för temperaturmätning tills det är dags för uttag av nytt göt.
Ett problem med att ugnen värmer upp göten så snart de matats tillbaka in i ugnen uppstår om götet är uppvärmt lång tid innan pressen pressat klart föregående göt. Götet får då vänta på att pressas, antingen inne i ugnen eller ute i pliern. Om götet får vänta inne i ugnen stiger dess temperatur p.g.a. ugnens varma miljö, se figur 14 som visar fyra göt som alla får vänta i ugnen på att pressas. Får det istället vänta i pliern sjunker dess temperatur p.g.a. presshallens svala miljö. Båda alternativen försämrar den kontroll man önskar ha på göttemperaturen.
Att göten blir för varma av att vänta i ugnen gör det svårt att få en jämn
profiltemperatur, det kostar pengar i form av högre gasolförbrukning och det ger en längre presstid. Presstiden ökar eftersom presshastigheten måste sänkas för att inte utgående profiltemperatur ska bli för hög. Längre presstid gör i sin tur att götet får vänta ytterligare inne i ugnen för att värmas av dess varma miljö. Nästan samma problem blir det om götet får svalna i pliern i väntan på pressen. Götet måste då värmas för att kompensera för avsvalningsvärmen som går förlorad. Även detta ökar gasolförbrukningen. Förutom att de båda alternativen är kostsamma försämrar de den kontroll man önskar ha på göttemperaturen. För god kontroll av denna temperatur vill man att göten, när de hamnar i pressen, har så liten avvikelse från börtemperaturen
400 420 440 460 480 500 520 540 1 61 121 181 241 301 361 421 481 541 601 661 721 Tid [sek] Temperatur [°C] Börvärde zon 1 Mätvärde zon 1
5 Modifieringar av reglersystem
För att få reda på om ugnen kan styras till att leverera göt med noggrannare temperatur har ett program lagts till i ugnens reglersystem. Programmet gör så att göten värms upp så kort tid som möjligt innan de pressas, att jämföra med vanlig uppvärmning som påbörjas så snart som möjligt. Med programmet och temperaturstyrningen aktiverade har en utvärdering genomförts av möjligheten till isotermisk pressning vid press MAX.
5.1 Synkronisering mellan press och ugn
För att reducera de negativa följder som fås av att göt väntar i ugnen eller i pliern innan de kallas till pressen, kan starttiden för när ett göt ska värmas upp beräknas. En fungerande synkronisering mellan göt och press kan ge en ökad överensstämmelse mellan bör- och ärtemperaturer i ugnen och samtidigt ge en minskad
temperaturvariation mellan göten. Ett sätt att beräkna starttiden är att ta hänsyn till aktuell presshastighet och aktuell position för stemen. Dividerar man sträckan som
Figur 14: Göttemperaturen stiger över börtemperaturen när ett göt väntar i ugnen. Figuren visar fyra, på varandra följande, fall.
Följande relation erhålls av resonemanget ovan:
V L tp =
L = återstående sträcka att pressa [mm] V = aktuell presshastighet [mm/s] tp = tid kvar att pressa [s]
För att veta när götet ska vara i rätt temperatur i ugnen måste man veta hur lång tid det tar att transportera götet från ugn till press, skjuvningen inkluderad. Denna transporttid (tt) har på plats uppmätts till ca 35 sekunder och då tp = tt vet man att det är tid att plocka ut götet ur ugnen. Transporttiden blir längre för ett skarvat göt med götdelning, ca 85 sekunder. Detta p.g.a. den extra skjuvning som krävs enligt beskrivningen ovan. För kalkylera tidpunkten då brännarna ska börja värma götet måste man naturligtvis förutsäga hur lång tid det tar att värma ett göt till önskad temperatur.
Tiden man har på sig att bränna blir lika med tp-tt. Då detta är lika med den uppskattade tiden som det tar att vär ma götet till önskad temperatur (uppskattad uppvärmningstid, tu) är det tid att låta brännarna jobba. Alltså måste följande relation vara sann för att bränning ska vara tillåten:
t p
u t t
t ≥ −
5.2 Implementering av algoritm
Då temperaturstyrningen varit aktiverad har profiltemperaturen varierat bara någon grad för vissa göt men med något större variationer för andra. Studier av diagram över göttemperaturen i de olika zonerna har visat på ett samband mellan uttagstemperaturen hos göten och profiltemperaturen. För de göt som bryter temperaturmönstret är det också större variation i profiltemperatur. I ett försök att minska variationen hos uttagstemperaturen för göten, har ovan nämnda algoritm (se avsnitt 5.1)
implementerats i styrprogrammet.
Algoritmen förutsätter att man har tillräckligt stor presstid av göten. Detta för att man ska hinna värma upp göten och transportera dem innan stemen nått sitt främre ändläge och de ska laddas i pressen. Vid kortare presstid än 120 sekunder måste man påbörja uppvärmningen innan föregående göt hamnat i presscykeln. Göten behöver då inte vänta under någon längre tid på att pressas från dess de värmts klart.
Algoritmen för zon 1 (se figur 13) fungerar så att börtemperaturen sänks med 65 °C tills signalen som tillåter bränning i zon 1 blir aktiv. Då återställs börvärdet i zon 1 och brännarna hindras inte längre från att bränna. Anledningen till att börvärdet sänks istället för att brännarna stoppas helt tills bränning blir tillåten är att uppvärmning av zon 1 tar längre tid än för övriga zoner. Eftersom algoritmen ska kunna tillämpas på de profiler som har en presstid ned mot 120 sekunder,där göten vanligtvis får vänta på att föregående göt pressas, måste viss förvärmning ske under tiden som föregående göt transporteras mellan ugn och press. Börvärdessänkningen i zon 1 är ett sätt att realisera förvärmning. Utan förvärmning tar uppvärmningen av zon 1 plus transporttiden längre tid än tiden det tar att pressa ett göt. Detta gör att götet inte hinner bli varmt i tid. Algoritmen som följer flödesschema enligt figur 15 och figur 16 implementeras så att varje brännare i taperugnen får en signal som tillåter eller hindrar den från att bränna. För att hindra brännare i zon 1 sänks börvärdet. För att hindra brännare i zon 2, 2b och 3 nollställs den räknare som avgör hur många sekunder brännaren ska vara igång tills den ska stoppas för kontroll av temperaturen. Vid hindrande av bränning genomförs en cykel i varje zon för temperaturmätning under ca 10 sekunder. Med hjälp av den
uppmätta temperaturen genomförs i varje zon en ny beräkning av hur lång tid det går åt att bränna för att uppnå börtemperaturen. Denna tid sparas i räknaren, men nollställs på nästa rad som exekveras i programmet om algoritmen ovan inte tillåter bränning. De parametrar som justeras för att få så noggrann styrning som möjligt av
göttemperaturen är transporttiden (tt) och uppskattad bränntid (tu, se nedan).
Proportionalitetskonstanterna (1/Ki, i refererar till zon 1, zon 2 eller zon 3) kan justeras men eftersom ingen anledning ännu finns till ändringar av dem har ursprungsvärdena (K1 = 1.1, K2 = 1.0 och K3 = 0.8) behållits. Dessa konstanter avgör antalet sekunder som skall brännas för varje grad som ärtemperaturen skiljer sig från börtemperaturen. Bränntiden efter temperaturmätning blir i zon i:
i är bör b K T T t = −
Ugnsluckan har stängts och ett göt ligger i ugnen, redo att värmas.
Sätt börvärdet i zon 1 till 65 °C under ursprungligt värde.
tp > tu + tt ?
Mät temperatur, tar ca 10 sek.
Återställ börvärdet i zon 1 till ursprungligt värde. Beräkna ny tu Har ny presscykel påbörjats sedan senaste götuttag? Göt i rätt temperatur i zon 1-2b? tp < tt ? Tag göt ur ugn Sätt börvärdet i zon 1 till 65 °C under
ursprungligt värde. Nej Ja Ja Ja Ja Nej Nej Nej
Ugnsluckan har stängts och ett göt ligger i ugnen, redo att värmas.
Tillåt ej bränning.
tp > tu + tt ?
Mät temperatur, tar ca 10 sek.
Tillåt bränning. Beräkna ny tu Har ny presscykel påbörjats sedan senaste götuttag? Göt i rätt temperatur i zon 1-2b? Tillåt ej bränning. Nej Ja Ja Nej Nej
Formel för uppskattad uppvärmningstid, tu har för zon 1 erhållits från studier av diagram över göttemperaturen för körningar av profil (47083). Ur diagrammen har tiden mätts upp från det att brännaren i zon 1 har aktiverats till dess att
uttagstemperaturen uppnåtts. Tidsåtgången har plottats mot temperaturökningen i diagram 2 (y = tu, x = Tbör - Tär). Sambandet nedan är ett resultat av Minsta-Kvadrat-skattningen (se figur 17):
c b är bör
u T T K K
t =( − )⋅ + där Kb = 0.8 och Kc = 39 (avrundning uppåt).
Vid testkörning av programmet har Kc + tt (=39 + 35 för icke-skarvade göt resp. 39 +
85 för skarvade göt) justerats i samråd med pressoperatörer för att få tillräcklig
säkerhetsmarginal så att inte pressen ska behöva vänta på göt. Kc + Tt har satts =115 resp. =165. y = 0,74x+ 38,65 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 Temperaturökning [°C] Uppvärmningstid [s]
5.3 Mätresultat och analys
En godtycklig order med en presstid kring 170 sek har valts som referens för att kunna utvärdera den implementerade algoritmen. För ordern där algoritmen användes var presstiden kring 200 sek.
5.3.1 Zon 1
Börtemperaturen i zon 1 är alltid högre än i övriga zoner vilket gör att risken är mindre att börtemperaturen överskrids till en följd av att het gas strömmar från den
intilliggande, zon 2. Som figur 18 visar blir avvikelsen mellan ärtemperatur och börtemperatur i zon 1 lägre då algoritmen används vid götuppvärmning. Om man studerar kurvan som fås då götuppvärmningen genomförs utan algoritm, ser man att var femte göt har en betydligt lägre uttagstemperatur än övriga. Detta beror på
övergången mellan götstänger och att ”hot shear” måste skjuva två gånger istället för en. Götstången matas tillbaka in i ugnen först efter andra skjuvningen vilket ger en kortare tid till att värma götet.
-5 0 5 10 15 20 25 30 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 Temperarur [°C] Utan algoritm Med algoritm
5.3.2 Zon 2
Temperaturen i zon 2 är den mest besvärliga att kontrollera, mycket beroende på att den är placerad nära den varmare, zon 1. Ur figur 13 fås att avståndet mellan
termospetsen i zon 2 och zon 1 är 41 cm. Detta att jämföra med avståndet till nästa termospets i zon 2b som är 71 cm. Zon 2b bör alltså inte påverkas av intilliggande varma zoner i samma utsträckning som zon 2. Som syns i figur 19 är det stor variation på uttagstemperaturen för zon 2, vare sig algoritmen används vid götuppvärmningen eller inte. Kurvan som visar göttemperaturen med algoritmen verkar uppföra sig som en svängning. Detta tyder på ett instabilt system som kan förklaras i att då brännarna vid ett tillfälle måste bränna en längre stund för att göttempperaturen skall uppnås, fås stor mängd het gas som värmer upp nästkommande göt efter att detta tagit det tidigare götets plats i ugnen. Denna negativa effekt av en senareläggning av götuppvärmningen kan vara svår att få bukt med. Effekten kanske kan mildras genom att temperaturen sänks längre bak i ugnens zon 3. Den del av götstången som innan en frammatning befinner sig kring zon 3, befinner sig efter frammatningen kring zon 2. En sänkning av zon 3 borde därför bidra till en lägre temperatur i zon 2 och mindre risk för
överhettning där. -5 0 5 10 15 20 25 30 35 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 Götnummer Temperarur [°C] Utan algoritm Med algoritm
Figur 19: Avvikelsen för uttagstemperaturen [°C] i zon 2 för två olika order. Dessa order är desamma som i figur 16.
5.3.3 Zon 2b
Som nämndes i föregående stycke är zon 2b lättare att kontrollera än zon 2, den är dock inte lika tacksam att styra som zon 1. Den påverkas nämligen både av zon 2 och zon 3 fast i mindre utsträckning p.g.a. de större avstånden som råder mellan dessa zoner jämfört med avståndet mellan zon 1 och zon 2 (se figur 13). Som syns i figur 20 blir avvikelsen mellan är- och börtemperaturen för zon 2b, i normala fall mindre om algoritmen används vid götuppvärmningen.
Fall där temperaturavvikelsen är relativt stor, tycks gruppera sig så att vartannat göt blir för varmt och vartannat göt blir lagom varmt. De göt som utmärker sig med större temperaturavvikelse i zon 2b är de med nummer: [5, 7, 9, 18, 26, 30, 38, 40, 42]. Bland dessa göt utmärker sig de med nummer: [5, 7, 18, 26, 30, 38, 42] också i zon 2 som göt med större temperaturavvikelse. Detta tyder på att zon 2b ofta blir för varm i samband med att zon 2 också blir det. Troligtvis beror detta på att obalans uppstår i uppvärmningen i samband med att en dubbelskjuvning genomförs. Detta är ett exempel på en aspekt hos götuppvärmningen som faller utanför ramen för detta projekt, men som kanske kan tas hänsyn till vi d en eventuell vidareutveckling av algoritmen. 0 10 20 30 40 50 60 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 Temperarur [°C] Utan algoritm Med algoritm
5.3.4 Profiltemperaturen
För ordern där algoritmen användes vid uppvärmning av göt, har profiltemperaturen granskats, se figur 21. Ur figuren syns att profiltemperaturen tenderar att sjunka då mitten av götet har pressas. Av uttagstemperaturen hos göten att döma finns inga tecken på att göten inte skulle vara tillräckligt uppvärmda. Både börtemperaturerna i zon 2 och zon 2b har uppnåtts. En rimlig förklaring till varför götet är relativt kallt på mitten fås om figur 13 studeras. I figuren framgår att avståndet mellan TC 1 och TC 2 är 41 cm medan avståndet mellan TC 2 och TC 2b är 71 cm, d.v.s. i området mellan termospetsen i zon 2 och den i zon 2b råder det sämst kännedom av temperaturen. Problemet grundas i att zon 1 förvärms till 65 °C under börvärdet för att algoritmen ska kunna tillämpas i så stor utsträckning som möjligt. Förvärmningen i zon 1 sprider sig till området där termospets 2 är placerad. Brännare 1 och 2 i zon 2 är båda
placerade till höger om termospets 2 (se figur 13) vilket betyder att götet mycket väl kan behöva värme från dessa brännare, trots att termospets 2 som de är kopplade till inte tillåter det. Detta i kombination med att börtemperaturen i försöken har varit densamma i zon 3 som i zon 2b. Då en götlängd matats fram hamnar zon 2 ungefär i det område där zon 3 tidigare var. En relativt hög temperatur i zon 3 kan därför bidra ytterligare till att brännare 1 och 2 i zon 2 inte får bränna som de ska, eftersom temperaturen i zon 2 redan är hög nog.
505 510 515 520 525 530 535 540 545 550 555 1 61 121 181 241 301 361 421 481 541 601 661 721 781 841 901 961 1021 1081 Tid [sek] Temperarur [°C]
Figur 21: Profiltemperaturen [°C] uppmätt av IR-kameran vid pressning av göt,
uppvärmda med algoritmen aktiv. Spikarna i kurvan beror på att temperaturen sjunker under tiden för laddning av nytt göt.
För ordern där algoritmen inte användes vid uppvärmning av göt har
profiltemperaturen plottats i figur 22. Tredje götet från vänster i figur 22 är ett göt som skjuvats två gånger och alltså inte hunnit bli lika varmt som de andra göten. Till
skillnad från profiltemperaturen i figur 21 sjunker inte temperaturen enbart då mitten av götet pressas. Här sjunker temperaturen under hela pressningen av götet vilket tyder på att börvärdet i zon 2b är för lågt i förhållande till börvärdet i zon 1. Variationen i profiltemperatur är ungefär densamma oavsett om algoritmen används för
uppvärmning av göt eller inte. Det är alltså för tidigt att konstatera att användning av algoritmen bidrar till mindre variationer hos profiltemperaturen, vid normal pressning. Vid oplanerade stopp i produktionen däremot uppenbarar sig fördelarna med att synkronisera uppvärmningen av göt med takten som hålls av pressen. Vid ett längre stopp när kommande göt redan plockats ur ugnen finns risken att detta inte blir
pressbart då det avsvalnat för mycket i rumstemperatur. Denna risk minskas betydligt om efterföljande göt plockas ur ugnen så sent som möjligt innan det ska pressas.
520 525 530 535 540 545 550 555 560 565 1 61 121 181 241 301 361 421 481 541 601 661 721 781 841 901 961 Tid [sek] Temperarur [°C]
Figur 22: Profiltemperaturen [°C] uppmätt av IR-kameran vid pressning av göt, uppvärmda utan algoritmen aktiv. Spikarna i kurvan beror på att temperaturen sjunker under tiden för laddning av nytt göt.
5.4 Förslag till förbättringar
För att inte profiltemperaturen ska sjunka då mitten av götet pressas måste
temperaturen här styras på ett bättre sätt vid användning av algoritmen. Detta borde kunna uppnås genom att kombinera följande sätt:
• Förvärmningen i zon 1 begränsas så att brännarna i zon 2 får bränna mer.
• Börtemperaturen i zon 3 sänks i förhållande till börtemperaturen i zon 2b så att temperaturen i zon 2 sjunker och brännarna här får bränna mer.
• Tiden som brännare 1 och 2 i zon 2 ska bränna kan modelleras, exempelvis viktas fram genom att hänsyn tas till avstånden mellan brännare och termospets 2 och 2b. På detta vis får brännarna bränna mer.
6 Slutsatser och fortsatt arbete
6.1 IR-kamera
IR-kameran har kalibrerats och justerats efter vad som är möjligt enligt dess användarmanual. Om emissiviteten som den visar är konstant kan man anta att
avvikelsen mellan sann profiltemperatur och den uppmätt av kameran är konstant. IR-kameran fungerar alltså väl i en situation där man på en profil med en slät och bred (>5 cm) yta önskar mäta variationen hos profiltemperaturen. För att använda kameran som en absolutgivare för profiltemperatur måste man genom mätning på profilen med en kontakttermometer ta reda på kamerans felmarginal som sedan antas vara konstant. Vid situationer där man i efterhand önskar använda sig av loggad data från kamerans profiltemperatur, vore det en god idé att även logga emissiviteten som kameran mäter. Detta för att förvissa sig om att stora, plötsliga temperaturvariationer inte beror på att kameran bytt mätområde utan att ett steg i profiltemperaturen verkligen ägt rum, eller det omvända. Vid ett steg i profiltemperaturen kan man, om emissiviteten varit
konstant, dra slutsatsen att kamerans mätområde varit detsamma och att profiltemperaturen verkligen har ändrats.
6.2 Götugn
Fördelar med algoritmen vid uppvärmning av göt:
• Risken för stora övertemperaturer hos göten minskar.
• Risken för att ett göt inte går att pressa p.g.a. att det kallnat utanför ugnen vid ett stillestånd vid pressen minskar.
• Avvikelsen mellan beställd och erhållen göttemperatur minskar.
• Energi sparas då göten inte värms upp onödigt mycket för att sedan svalna i rumstemperatur.
Nackdelar med algoritmen vid uppvärmning av göt:
• Algoritmen kan endast användas vid order vars göt pressas under 120 sekunder eller mer.
• Risken för att göten inte blir tillräckligt varma mellan termospets 2 och 2b i ugnen ökar.
• Brännarna i ugnens främre zoner får arbeta mer till följd av temperatursänkningen i ugnens bakre zoner.
6.2.1 Uttag av göt
Synkroniseringen mellan pressen och ugnen kan komma till användning även då algoritmen inte är aktiverad för uppvärmning av göt. I dagsläget finns en timer för automatiskt uttag av göt ur ugnen. Vid samtal med pressförare har klagomål
framkommit kring timern. Istället för den krånglande timern skulle tp (=tid kvar att pressa) kunna användas för att avgöra när ett göt ska plockas ur ugnen.
6.2.2 Termo spetsarnas placering i ugnen
Om det är fysiskt möjligt och ekonomiskt försvarbart kan det vara idé att montera ytterligare en termospets mellan zon 2 och zon 2b i ugnen. Detta för att avståndet mellan termospets i zon 2 och zon 2b är förhållandevis stort och för att få bättre kontroll på göttemperaturen i detta område.
skjuvning förekommer mellan varje götstång eller varje 5:e/6:e göt. Då
dubbelskjuvning tar minst dubbelt så lång tid som en enkelskjuvning, bör denna undvikas i största möjliga utsträckning. Ofta finns inget alternativ till dubbelskjuvning och då bör istället skjuvningscykeln göras så snabb som möjligt. Dubbelskjuvning genomförs ibland för att två götstänger inte går att separera vid den befintliga skarven dem emellan. Detta gör samtidigt att 17 cm av pressdugligt göt skrotas. Om
ekonomiska utrymmen finns för att installera en procedur som gör att stänger kan delas vid en befintlig skarv, sparas både dubbelskjuvningar och skrot.
6.3 Isotermisk pressning
Att sätta gränser vilka profiltemperaturen kan hållas inom är i dagens process svårt att göra. Detta mestadels p.g.a. ugnens svårighet att leverera göt vars
temperaturfördelning är noggrant bestämd. Vid vissa order kan profiltemperaturen under flera på varandra följande göt variera inom ett tre grader C stort intervall eller snävare. Vad som sedan ofta händer är att en dubbelskjuvning, vid påbörjande av ny götstång, sätter ugnen i obalans vilket bidrar till att ett göt med avvikande
temperaturfördelning når pressen. För att göra det bästa av situationen kan man till en början justera in börtemperaturerna i ugnen. Detta görs genom att betrakta
profiltemperaturkurvan som visas vid en av pressens datorer. Om man på kurvan kan se tendenser till över- eller undertemperaturer då någon del av götet pressas så sänker man respektive ökar man börtemperaturen i motsvarande zon hos götugnen. Detta görs manuellt eller med nyttjande av temperaturstyrningen, vilken ofta ger ett gott resultat.
Referenser
[1] LAND Infrared (2000). Aluminium Extrusion Thermometer System – Installation
& operating instructions.
[2] Ljung, L. Glad, T. (1991). Modellbygge och simulering.
[3] Schmidt, F. W. Henderson, R. E. Wolgemuth, C. H. (1993). Introduction to
På svenska
Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare – under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga extra-ordinära omständigheter uppstår.
Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner, skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten, säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ art.
Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära eller konstnärliga anseende eller egenart.
För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se förlagets hemsida http://www.ep.liu.se/
In English
The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible replacement - for a considerable time from the date of publication barring exceptional circumstances.
The online availability of the document implies a permanent permission for anyone to read, to download, to print out single copies for your own use and to use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose. Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity, security and accessibility.
According to intellectual property law the author has the right to be mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected against infringement.
For additional information about the Linköping University Electronic Press and its procedures for publication and for assurance of document integrity, please refer to its WWW home page: http://www.ep.liu.se/
